saveliev2 (797914), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Столкновения электронов (а также ионов) с молекулами могут иметь упругий и пеупругий характер, Молекула, как и атом, может находиться в дискретных энергетических состояниях. Состояние с наименьшей энергией называется основным. Для того чтобы перевести молекулу из основного в различные возбужденные состояния, требуются определенные значения энергии 1Рь (рз и т. д. Сообщив молекуле достаточно большую энергию Юь можно вызвать ее ионизацию. Перейдя в возбужденное состояние, молекула обычно пребывает в нем всего лишь 1О з сек, после чего переходит снова в основное состояние, излучая избыток энергии в виде кванта света — фотона. В некоторых так называемых метастабильных состояниях молекула может находиться значительно дольше в примерно 1О-з сек. При соудареяии частиц должны выполняться законы сохранения энергии и импульса.
Поэтому на передачу энергии при ударе накладываются определенные ограничения — не вся энергия, которой обладает ударяющая частица, может быть передана другой частице. Если при столкновении молекуле не может быть сообщена энергия, достаточная для ее возбуждения, суммарная кинетическая энергия частиц остается без изменений и удар будет упруги м. Пусть частица массы ть имеющая скорость п,о, ударяется о неподвижную (оы = О) частицу массы ть При центральном ударе должны выполняться условия мам л~Р~ ~Ъ4 — = — +— 2 2 2 шРм= гпР~+ шспм где о, и пз — скорости частиц после удара, 317 Решая эту систему уравнений относительно неизвестных о~ и оз (см.
т. 1, $ 30), получим 2о~олч оз = л$, +61~ Таким образом, для энергии, которая передается при упругом ударе второй частице, получается выражение 'зз~Ъ ~иРм а~ее Ь(Р' 2 2 (т, +т~)~ ' Если т~ << тм это выражение можно приближенно записать следующим образом: где (Рм — энергия уларяющейся частицы перед ударом.
Из формулы (87.1) следует, что легкая частица (электрон), ударяясь упруго о тяжелую частицу (молекулу), сообщает ей лишь малую долю своего запаса энергии (' — « 1). Легкая частица «отскакивает» от тяжелой, Шр подобно мячу от стенки, с практически не изменяющейся по величине скоростью. Как показывает соответствующий расчет, при нецентральном ударе доля переданной энергии оказывается еще меньше. При достаточно большой энергии ударяющей частицы (электрона или иона) молекула может быть возбуждена или нонизнрована.
В этом случае суммарная кинетическая энергия частиц не сохраняется — часть энергии затрачивается на возбуждение или ионизацию, т. е. на увеличение внутренней энергии соударяющихся частиц, Такие соударения называются неуп руги ми стол кновениями нер ного рода. Молекула„находящаяся в возбужденном состоянии, при столкновении с другой частицей (электроном, ионом или нейтральной молекулой) может перейти в основное состояние, не излучая избыток энергии, а передав его электрону. В этом случае суммарная кинетическая энергия частиц после удара будет больше, чем до удара.
Такие соударения называютея неуп руги ми стол кн ов ения м и второго рода. Переход молекул из мета- стабильного состояния в основное возможен только за счет столкновений второго рода. При неупругом столкновении первого рода уравнения сохранения энергии и импульса имеют вид — = — + — '+Л ..„ «г! !о «гго~ ."!з з 2 2 2 зз! (87.2) пггпгз = пгго~ + пгзпз! где Л)Р' — увеличение внутренней энергии молекулы, соответствующее ее переходу в возбужденное состояние.
Исключив о, из уравнений (87.2), можно получить !«! + !«з «!зоз Л~'з« = пттп!спз 2 ° Х«! (87.3) При одной и той же скорости ударяющейся частицы (и!о) пРиРащение внУтРенней энеРгии моЛекУлы Л))У«и зависит от скорости от, с которой молекула движется после удара. Чтобы найти наибольшее возможное значение ЛФ,ю продифференцируем функцию (873) по пз н приравняем получившееся выражение нулю: !! (Л)ран) «!! + «г! = г«то!с г«202 О, !го! г«! Отсюда пт —— !«! ою.
Подставляя найденное значе- «!г+ «!! ние пз в формулу (87.3), находим, что «!з '"Р~о ~~зз з!Вх т + г«2 ° ! ~з (87.4) ') В случае ионизацин уравнения (27.2) усложняются. так как после соударения будет не две частицы, а трн. Однако заключение о возможности затраты почти всей знергии электрона иа ноииззцию остается справедливыи. Если ударяющая частица значительно легче ударяег «!! «! !от!о мой ) — 'чг, 1), множитель при — в выражении (87А) 2 близок к единице. Таким образом, при ударе легкой частицы (электрона) о тяжелую (молекулу) почти вся энергия ударяющей частицы может быть затрачена на возбуждение или ионизацию ') молекулы.
Однако даже если энергия ударяющей частицы— электрона †достаточ велика, соударенне не обязательно приводит к возбуждению или ионизацин д~' Энеогою элеипуоиа молекулы. Имеется определенная вероятность обоих этих процессов, которая зависит от скорости, т. е. энергии электрона. На рис. 187 показан примерный ход этих вероятностей. Чем быстрее летит электрон, тем меньший промежуток времени взаимодействует он с молекулой, пролетая вблизи нее. Поэтому обе вероятности быстро достигают максимума, а затем с увеличением энергии электрона убывают.
Как видно из рисунка, электрон, имеющий, например, энергию 1Р', с большей йтг4агЖке йоншация вероятностью будет вызы- вать ионизацию молекуч ! лы, чем ее возбуждение. ! ! Вторичная электрон1 ная эмиссия. Вторичной 1 электронной эмиссией наф 1 зывается непускание электронов поверхностью твердого или жидкого тела прн бомбардировке ее Рис. 187. электронами или ионами.
Отношение числа вторичных электронов Фз к числу Ж~ частиц, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом втори ч ной эмиссии (87.5) Коэффициент вторичной эмиссии зависит от природы поверхности и бомбардирующих ее частиц, а также от энергии этих частиц, Скорость вторичных электронов невелика и от энергии первичных частиц не зависит. В случае бомбардировки поверхности металлов электронами коэффициент вторичной эмиссии достигает максимума при энергии первичных электронов порядка нескольких сотен электронвольт (от 200 до 800 зв для различных металлов). Наибольшие значения коэффициента б„,„заключены в пределах от 0,5 (для бериллия) до 1,8 (для платины).
Для полупроводников б «х может достигать гораздо больших значений (порядка 1О). Таким образом, вторичную эмиссию от соответствующим образом подобранной поверхности можно использовать для «умножения»количестваэлектроноввпучке. В электронных умножителях, предложенных впервые Л. А. Кубец- ким, вторичные электроны, испущенные каждым иэ по. следовательно расположенных электродов, ускоряются электрическим полем и бомбардируют следующнй алек. трод. С помощью таких приборов достигается усиленна электронных пучков в сотни раз.
Автоэлектрониая эмиссия, Если вблизи поверхности металла создать электрическое поле очень большой на. пряженности (-1Оз з/ги), наблюдается непускание алек« тронов, называемое автоэлектронной (или хо» лодной) эмиссией. Это явление иногда называют Фаг злами также вырыванием элек- Ф'злллгл~м' с тронов электрическим полем. Автоэлектронная эмиссия была объяснена квантовой теорией. При наличии Сюлюж сильного поля препятствую- юле щий выходу электронов потенциальный барьер на поверхности металла выглядит так, как показано на рис. 188. Согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что элементарная частица пройдет через потенциальный барьер даже в том случае, когда ее энергия меньше, чем высота барьера.
Частица как бы проходит через туннель в барьере, в связи с чем это явление называют туннельным эффектом. Вероятность туннельного эффекта растет с уменьшением ши. рины барьера. Поэтому автоэлектронная эмиссия наблюдается лишь в очень сильных полях. Фотоионизация. Электромагнитное излучение («свет») состоит из элементарных частиц — фотонов. Энергия фотона равна йт, где Ь- постоянная Планка, т — частота излучения. Фотон может быть поглощен молекулой (см. сноску на стр.
306), причем его энергия идет на возбуждение или ионизацию. В этом случае ионизация молекулы называется фотон он и з а ц и ей. Непосредственную (прямую) фотоионизацию способно вызвать ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение (обладающее меньшей частотой) может обусловить так называемую ступенчатую фотоионизацию. Энергия фотона видимого света недостаточна для отщепления электрона от молекулы. Однако ее хватает для того, чтобы 2! И. В. Савельев. в и перевести молекулу в одно пз возбужденных состояний.
Для ионизации молекулы, находящейся в возбужденном состоянии, требуется меньше энергии, чем для ионнзации молекулы в нормальном состоянии. Поэтому ионизация молекулы, возбужденной фотоном, может быть достигнута за счет ее соударения с другой молекулой. В газовом разряде возможно возникновение коротковолнового излучения, способного вызвать прямую фотоионнзацию, Достаточно быстрый электрон может прн ударе не только ионизировать молекулу, но и перевести образовавшийся ион в возбужденное состояние. Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием излучения меньшей длины волны (т. е. большей частоты), чем у излучения нейтральной молекулы.
Энергия фотонов такого излучения достаточна для непосредственной фотоионизации. Кроме перечисленных процессов, в некоторых видах самостоятельного газового разряда играет большую роль явление термоэлектронной эмиссии, рассмотренное в $?5. Имеет место также фотоэлектронная ам песняя (или внешний фотоэ ф ф ект), заключающаяся в испускании электронов поверхностью металла илн полупроводника при освещении ее светом с достаточно малой длиной волны.
Однако роли фотоэлектронной эмиссии в различных видах самостоятельного разряда мы касаться не будем. 8 88. Газоразрядная плазма При некоторых видах самостоятельного разряда степень ионизация газа бывает очень большой. Газ в сильно ионизированном состоянии при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен (или почти равен) нулю, называется пл ази о й'). Плазма представляет собой особое состояние вещества. В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца н других звезд, обладающих температурой в десятки миллионов градусов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
